Tema 2. La capa física. Medios de transmisión.

Transcripción

1 Dpto. Ingeniería de Sistemas Industriales Div. Ingeniería de Sistemas y Automática Tema 2. La capa física. Medios de transmisión. 1

2 Objetivos La capa física es la capa más baja de la jerarquía del modelo OSI Su finalidad es transmitir/recibir una sucesión de bits (ristra) a través de un canal de comunicación Parte I. Conceptos básicos de transmisión de datos. Introducir los conceptos básicos relativos a la transmisión de datos Parte II. Medios de transmisión. Presentar los medios guiados y no guiados utilizados en la transmisión de datos 2

3 Parte I. Conceptos básicos de transmisión de datos. Objetivos Introducir los conceptos básicos relativos a la transmisión de datos Qué vamos a estudiar? Fundamentos Teóricos de la Transmisión Ancho de Banda Datos y Señales Perturbaciones en la Transmisión Atenuación, distorsión de retardo y ruido Capacidad del canal: Velocidad de Transmisión Transmisión de señales Transmisión en banda base y modulación 3

4 Fundamentos Teóricos de la Transmisión (i) Transmisión digital: Transmisión de una señal cuadrada periódica f(t) Series de Fourier: Representación de una función periódica f(t) de periodo T como suma de infinitos armónicos T 2 a = f () t sin( 2πft) dt f 1 2 () t = c + a sin( 2πnft) + b cos( 2πnft) n= 1 n 2 f = 1/T frecuencia fundamental c = T a n, b n amplitudes de seno y cos del n-ésimo armónico n= 1 n-ésimo armónico: frecuencia nf múltiplo de la frecuencia fundamental n b n n T 2 = T T 0 T 0 0 f f () t cos( 2πft) () t dt dt 4

5 Fundamentos Teóricos de la Transmisión (ii) Espectro de Potencia: Representación gráfica de la serie de Fourier Módulo de la componente armónica para cada frecuencia F = a + b n 2 n Su cuadrado es proporcional a la energía transmitida a la frecuencia correspondiente El espectro de potencia se anula a frecuencias elevadas 2 n La mayor parte de la energía (información) se acumula en los armónicos de orden más bajo Permite expresar f(t) como el sumatorio de componentes armónicas, pudiendo truncarlo cuando Fn sea poco significativo Cuantos más armónicos se trunquen, más diferirá f(t) de la suma de armónicos 5

6 Serie de Fourier de una señal digital La reconstrucción de la señal es diferente en función del número de armónicos considerados 6

7 Ancho de banda Transmisión de una señal La señal sufre una pérdida de energía y diminuyen las amplitudes de cada armónico Las amplitudes disminuyen de forma diferente distorsión de la señal Ancho de banda Rango de frecuencias sin que sufran una atenuación importante Frecuencia de corte superior (f c ): frecuencia a partir de la cual el nivel de atenuación impide la transmisión (Hz) Frecuencia de corte inferior (f 0 ): frecuencia menor que permite la transmisión (Hz) Ancho de banda: f c -f 0 el grado de atenuación se mantiene constante entre estas 2 frecuencias 7

8 Perturbaciones en la transmisión Provocan que la señal recibida difiera de la transmitida Transmisión analógica: Degradación de la calidad de la señal Transmisión digital Errores en bits Perturbaciones: Atenuación Distorsión de retardo Ruido 8

9 Atenuación Efecto producido por la pérdida de energía de la señal según se propaga en el medio de transmisión Problemas: 1) La señal recibida debe tener la suficiente energía para que la electrónica en el receptor pueda detectar e interpretar la señal 2) La señal debe recibirse con un nivel mayor que el ruido 3) La atenuación varía en función de la frecuencia, lo que provoca que la señal recibida esté distorsionada Soluciones: Amplificadores o repetidores: incrementan la energía de la señal resuelven los problemas 1 y 2 Ecualizadores: amplifican de forma diferente cada frecuencia evitan la distorsión de la señal (problema 3) 9

10 Distorsión de retardo Fenómeno característico de los medios guiados Se produce por la diferente velocidad de propagación de las distintas componentes frecuenciales que forman la señal Cada armónico es recibido en un instante de tiempo diferente la señal reconstruida sufre una distorsión respecto a la señal original 10

11 Ruido (i) Ruido: cualquier señal que se inserta entre el emisor y el receptor Tipos de ruido: Ruido térmico: debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor Ruido de intermodulación: cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión Diafonía: acoplamiento entre las líneas que transportan las señales Ruido impulsivo: pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud Fuente de errores en la comunicación digital de datos 11

12 Ruido (ii) 12 La Capa Física. Medios de Transmisión. n.

13 Capacidad del canal Capacidad de un canal de transmisión: Velocidad a la que se pueden transmitir los datos Codificación y velocidad de transmisión Velocidad de modulación Velocidad de transmisión Velocidad de transmisión frente a ancho de anda Velocidad de transmisión en un medio con ruido 13

14 Codificación y velocidad de transmisión Información digital: Se representa mediante los estados lógicos 0 y 1 Se utilizan diferentes niveles de tensión para codificar los estados lógicos 2 niveles de tensión 1 bit asociado a cada nivel 4 niveles de tensión 2 bits asociados a cada nivel Velocidad de modulación: Nº veces/seg que la señal cambia su valor (cambios de tensión) se mide en baudios Velocidad de transmisión: Nº bits/seg transmitidos bps 14

15 Velocidad de transmisión frente a ancho de banda Criterio de Nyquist: Determina la velocidad máxima de transmisión por un canal de ancho de banda dado Consideraciones: Codificación de n niveles por baudio Ancho de banda: B Velocidad máxima de transmisión (bps): V t max = 2B log 2 n 15

16 Velocidad de transmisión en un medio con ruido Teorema de Shannon: Determina la velocidad máxima de transmisión en un medio con ruido Consideraciones: Medio de ancho de banda B Razón señal/ruido: razón entre la señal cuadrática media y el ruido cuadrático medio se expresa en decibelios (db) S N db = 10log 10 potencia señal potencia ruido Velocidad máxima de transmisión (bps): S V t max = B log N 16

17 Datos y señales (i) Datos Entidades que transportan información Analógicos o digitales Señales Analógicos: toman valores en un intervalo continuo. Ej: el vídeo y la voz Digitales: toman valores discretos. Ej: texto, números enteros Medios por los que se transmiten los datos Continuas (analógicas) o discretas (digitales) Analógica: onda electromagnética que varía continuamente Digital: secuencia de pulsos de tensión 17

18 Datos y señales (ii) 18 La Capa Física. Medios de Transmisión. n.

19 Datos y señales (iii) Modem (Modulador/Demodulador): permite transmitir datos digitales mediante señales analógicas. Codifica los datos digitales variando algún parámetro característico de una señal portadora 19

20 Datos y señales (iv) CODEC (Codificador decodificador): aproxima la señal analógica que representa la voz por una cadena de bits 20

21 Transmisión de señales Transmisión en banda base Transmisión de una señal digital Códigos de línea Modulación Transmisión de una señal digital convirtiéndola en una señal analógica Modulación por desplazamiento de amplitud Modulación por desplazamiento de fase Modulación por desplazamiento de frecuencia Transmisión de una señal analógica convirtiéndola en una señal digital Modulación por impulsos codificados 21

22 Transmisión en banda base Se utiliza para transmitir señales digitales a velocidades bajas y distancias cortas (distorsión pequeña) La señal se envía directamente por el medio La representación de un conjunto de bits mediante señales eléctricas se puede realizar de diferentes formas códigos de línea No retorno a cero (NRZ): unipolar y polar Con retorno a cero (RZ): unipolar y bipolar En los códigos NRZ y RZ para secuencias largas de 0s ó 1s consecutivos, no cambia la señal, por lo que es difícil establecer el sincronismo Manchester diferencial Incorpora la señal de reloj a la información A mitad del intervalo de cada bit la tensión cambia de signo 22

23 Códigos de línea 23 La Capa Física. Medios de Transmisión. n.

24 Transmisión de una señal digital convirtiéndola en una señal analógica Modulación Una señal, denominada portadora, está modulada por otra, cuando la segunda controla algún parámetro de la primera Onda portadora: g(t)=ksen(2πft+ϕ) Tipos de modulación: Según el parámetro de la portadora que se controle con la señal digital Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK) Modulación por desplazamiento de fase (PSK) Modulación por desplazamiento de frecuencias (FSK) 24

25 Tipos de modulación Modulación por desplazamiento de amplitud Se mantiene constante la frecuencia y la fase Se modifica la amplitud según la señal binaria a transmitir. Ejemplo: K = 0 si el bit es 0, K = 1 si el bit es 1 Modulación por desplazamiento de fase La portadora se modula provocando en ella saltos bruscos en la fase en función del valor del nuevo bit Si el bit es igual al anterior, la señal tendrá la misma fase Si ambos bits son distintos las señales analógicas estarán desfasadas Modulación por desplazamiento de frecuencias La portadora se modula asociando una frecuencia f 1 al 1 y otra frecuencia f 2 al 0 25

26 Ejemplo transmisión señal digital 26 La Capa Física. Medios de Transmisión. n.

27 Transmisión de una señal analógica convirtiéndola en una señal digital Modulación por impulsos codificados (MIC) Modulación PCM (Pulse Code Modulation) Se utiliza cuando el ancho de banda del canal es suficientemente grande La señal analógica se convierte en digital La señal digital se compone de un grupo de pulsos de igual amplitud, duración y posición en el tiempo Procedimiento: La señal analógica se muestrea a intervalos regulares asignándole unos niveles de cuantificación preestablecidos Cada muestra cuantificada se sustituye por su código, obteniéndose la señal MIC equivalente La señal original se regenera a partir de la cuantificación del código binario transmitido 27

28 Ejemplo modulación MIC 28 La Capa Física. Medios de Transmisión. n.

29 Parte II. Medios de transmisión. Objetivos. Presentar los medios guiados y no guiados utilizados en la transmisión de datos Qué vamos a estudiar? Medios de transmisión guiados Par trenzado Cable coaxial Fibra óptica Medios de transmisión no guiados Microondas terrestres Microondas por satélite Ondas de radio Infrarrojos 29

30 Medios de transmisión guiados La comunicación se realiza mediante ondas electromagnéticas Las ondas se confinan en un medio sólido Medios guiados: Par trenzado Cable coaxial Fibra óptica 30

31 Par trenzado Dos alambres de cobre trenzados para reducir la interferencia eléctrica Típicamente se utilizan haces en los que se encapsulan varios pares mediante una envoltura protectora. Los pares adyacentes dentro de una misma envoltura protectora se trenzan con pasos de torsión diferentes. Se utiliza tanto para transmisión digital como analógica: Transmisión analógica: se necesitan amplificadores cada 5 ó 6 km. Transmisión digital: para señales digitales se requieren repetidores cada 2 ó 3 km. 31

32 Tipos de par trenzado UTP: Unshielded Twisted Pair Par trenzado sin apantallar Muy sensible a interferencias Formado por 4 pares trenzados FTP: Foiled Twisted Pair Par trenzado encintado Recubrimiento metálico que protege el conjunto de pares del cable Utilizado cuando existen interferencias electromagnéticas Formado por 4 pares STP: Shielded Twisted Pair Par trenzado apantallado Cada par va envuelto por una malla metálica El conjunto de pares se recubre por otra malla Robusto a interferencias Formado por dos pares 32

33 Categorías La norma EIA/TIA 568 divide los cables de par trenzado en categorías Destacan: Categoría 3: Ancho de banda de 16MHz a 100m de distancia máxima Velocidades de hasta 16Mbps Categoría 4: Ancho de banda de 20MHz a 100m de distancia máxima Velocidades de hasta 20Mbps Categoría 5: Ancho de banda de 100MHz a 100m de distancia máxima Velocidades de hasta 100Mbps 33

34 Parámetros de un par trenzado Para describir las limitaciones de un par trenzado se utilizan dos parámetros: la atenuación y la diafonía. Atenuación: Pérdida de la energía de la señal al propagarse Diafonía: Se produce por la inducción que provoca un conductor en otro cercano Existen 2 tipos de diafonía: Paradiafonía. Diafonía en extremo cercano. Se produce cuando un par transmite y el otro recibe. Parte de la potencia transmitida se induce en el par receptor en el extremo cercano, que es donde la potencia es mayor y donde la señal que se recibe está atenuada. Telediafonía. Diafonía en extremo lejano. Es el mismo efecto que la paradiafonía, pero en el extremo lejano del par trenzado. 34

35 Cable coaxial Estructura: Conductor cilíndrico externo (malla) que rodea a un cable conductor (vivo). Entre ambos existe un material no conductor. El conductor externo es cubierto con una funda Aplicaciones: Televisión, telefonía a larga distancia, redes de área local Características: Mayores frecuencias y velocidades de transmisión que el par trenzado Menos susceptible que el par trenzado a interferencias y a diafonía Limitaciones: Conductor interno Material aislante Conductor externo Atenuación, ruido térmico y ruido de intermodulación Funda protectora 35

36 Fibra óptica Fibra ultradelgada de vidrio o silicio fundido capaz de conducir energía de naturaleza óptica Estructura: Propagación: Núcleo (vidrio) Revestimiento (vidrio) Cubierta (plástico) El revestimiento posee un índice de refracción menor que el del núcleo La luz se propaga mediante reflexiones en el revestimiento de la fibra 36

37 Tipos de fibras Atendiendo al cambio del valor del índice de refracción: Fibras ópticas de índice de escala (stepped-index) cambio abrupto Fibras ópticas de índice gradual (graded-index o gradex) cambio gradual parabólico Fibra óptica de índice de escala Fibra óptica de índice gradual 37

38 Tipos de transmisión de un haz Monomodo La luz recorre una única trayectoria en el interior del núcleo Gran ancho de banda Para minimizar el número de reflexiones el núcleo es lo más estrecho posible fabricación complicada Multimodo Diámetro del núcleo mayor que en las fibras monomodo Mayor número de trayectorias de luz resultantes de las distintas reflexiones dispersión de las componentes disminución de la velocidad de propagación Tipos: multimodo de índice gradual y multimodo de índice de escala 38

39 Tipos de fibras ópticas (i) Fibras multimodo de índice de escala Diámetro núcleo: 50-60µm Diámetro recubrimiento: 125 µm Dispersión elevada Aplicaciones: transmisión de datos a baja velocidad o cables industriales de control Fibras monomodo de índice de escala Diámetro núcleo: 1-10µm Diámetro recubrimiento: 125 µm Dispersión baja Ancho de banda: varios GHz/Km Fibras multimodo de índice gradual Diámetro núcleo: 50-60µm Diámetro recubrimiento: 125 µm Velocidad mayor que en las fibras multimodo de índice de escala reduce su dispersión 39

40 Tipos de fibras ópticas (ii) Fibra multimodo de índice de escala Fibra multimodo de índice gradual Fibra monomodo 40

41 Ventajas fibra óptica Mayor ancho de banda Velocidades de transmisión de hasta 2Gbps para decenas de kms Menor tamaño y peso Reducción de la infraestructura necesaria Disminución de costes Menor atenuación Aislamiento electromagnético No afectan los campos electromagnéticos externos No son vulnerables a interferencias, ruido impulsivo o diafonía 41

42 Sistemas de fibra óptica Sistemas de fibra óptica: Tipos de fuentes de luz: diodos LED (diodo emisor de luz) y diodos láser Emiten pulsos de luz cuando se les aplica una corriente eléctrica Receptores: fotodiodo que genera un pulso eléctrico cuando recibe un rayo de luz Aplicaciones Transmisiones a larga distancia Transmisiones metropolitanas Acceso a bucles de abonado 42

43 Medios de transmisión no guiados Proporcionan un medio de transmitir las señales pero sin confinarlas Atmósfera, espacio exterior Transmisión inalámbrica Transmisión y recepción mediante antenas Tipos de configuraciones: Direccional La antena de transmisión emite la energía electromagnética concentrándola en un haz La antena emisora y receptora deben estar alineadas Omnidireccional La antena emite en todas las direcciones La señal puede ser recibida por varias antenas 43

44 Rangos de frecuencias Microondas 2 40 GHz Comunicaciones direccionales Enlaces punto a punto y comunicaciones vía satélite Ondas de radio 30 MHz 1 GHz Aplicaciones omnidireccionales Infrarrojos 3x x10 14 Hz Aplicaciones de índole local 44

45 Microondas terrestres Las antenas se sitúan a una altura considerable para conseguir mayor separación entre ellas y salvar obstáculos Aplicaciones Superficie de la tierra Onda terrestre Servicios de telecomunicación a grande distancia: transmisión de televisión y voz Enlaces a corta distancia entre edificios 45

46 Microondas por satélite Satélite de comunicaciones Estación que retransmite microondas Enlace entre receptores / transmisores terrestres: estaciones base Recibe la señal en una banda de frecuencia (canal ascendente) y la retransmite en otra (canal descendente) Geoestacionario Aplicaciones Difusión de televisión Transmisión telefónica a larga distancia 46

47 Ondas de radio Ondas de radio Son omnidireccionales No necesitan antenas parabólicas Las antenas no es necesario que estén alineadas Infrarrojos Se utilizan transmisores/receptores (transceivers) que modulan luz infrarroja no coherente Los transceivers deben estar alineados No pueden atravesar paredes (a diferencia de las microondas) 47